基于采樣信息交換的多Euler-Lagrange系統(tǒng)分布式一致性研究.pdf

1、近年來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，多智能體系統(tǒng)受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。針對(duì)多智能體系統(tǒng)的研究已經(jīng)逐步從理論領(lǐng)域走向了工程應(yīng)用，其中包括傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作、空間飛行器群的姿態(tài)控制、無(wú)人機(jī)群及水下機(jī)器人群的編隊(duì)控制等。作為多智能體系統(tǒng)中一個(gè)基本且重要的研究分支，多智能體系統(tǒng)的一致性問(wèn)題成為了一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域?？傮w而言，一致性問(wèn)題的控制目標(biāo)是通過(guò)智能體間的信息交換達(dá)成某種整體趨同。
　　由于Euler-Lagrange方程

2、可以用來(lái)描述許多具有復(fù)雜非線(xiàn)性及強(qiáng)耦合的物理系統(tǒng)，多Euler-Lagrange系統(tǒng)的一致性問(wèn)題引起了學(xué)者越來(lái)越多的研究興趣并且取得了初步的成果。需要指出的是，現(xiàn)有理論研究結(jié)果嚴(yán)重依賴(lài)于多Euler-Lagrange系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)連續(xù)信息交換這一理想假設(shè)。遺憾的是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下建立連續(xù)時(shí)間通信網(wǎng)絡(luò)仍然存在著基礎(chǔ)性的難題，尤其是對(duì)于長(zhǎng)距離通信或者無(wú)線(xiàn)通信的情況。此外，由于多智能體系統(tǒng)中的個(gè)體大多情況下是能量有限的，多智能體系統(tǒng)的能量消耗問(wèn)

3、題變得不容忽視。從通信能量分析的角度，連續(xù)時(shí)間信息交換需要不間斷地占用通信通道，需要消耗相當(dāng)可觀(guān)的能量。因此，設(shè)計(jì)一種更加貼近實(shí)際并且具有更高能效比的信息交換方案具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種采樣信息交換機(jī)制用于解決多Euler-Lagrange系統(tǒng)的一致性問(wèn)題，并且圍繞著這一機(jī)制分別討論了信息交換過(guò)程中發(fā)生的隨機(jī)采樣、時(shí)變傳輸時(shí)滯以及具有一定概率發(fā)生的傳輸時(shí)滯等現(xiàn)象，主要的研究工作可以概括為下述幾個(gè)

4、方面：
　　利用采樣保持機(jī)制設(shè)計(jì)了一種采樣信息交換策略，在此基礎(chǔ)上研究了有向通信拓?fù)湎露郋uler-Lagrange系統(tǒng)的分布式一致性問(wèn)題，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。由于采用離散時(shí)間信息交換取代了常見(jiàn)的連續(xù)時(shí)間信息交換，信息的傳輸更加可靠并且適用于實(shí)際的通信網(wǎng)絡(luò)。分別針對(duì)存在外部有界擾動(dòng)與參數(shù)不確定性的情況設(shè)計(jì)了分布式一致性協(xié)議并相應(yīng)地建立了實(shí)現(xiàn)一致性所需要的充分性條件。此外，給出了計(jì)算容許采樣周期上界最大值的優(yōu)化算法。最后具體通過(guò)

5、有向通信拓?fù)湎?自由度水下機(jī)器人的編隊(duì)控制以及空間飛行器編隊(duì)的自適應(yīng)姿態(tài)同步兩個(gè)例子證明了所設(shè)計(jì)的一致性算法的有效性與適用性。值得一提的是，仿真結(jié)果表明了本文提出的采樣信息交換機(jī)制可以有效地降低多Euler-Lagrange系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)一致過(guò)程中的通信能量消耗。
　　在上述研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，針對(duì)采樣周期在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的時(shí)變現(xiàn)象，討論了具有隨機(jī)采樣周期的采樣信息交換機(jī)制。通過(guò)引入隨機(jī)變量采用概率模型來(lái)描述采樣周期的變化，在有向通信拓

6、撲下設(shè)計(jì)了分布式一致性協(xié)議。給出了隨機(jī)采樣信息交換下多Euler-Lagrange系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致的充分性條件。所得到理論結(jié)果通過(guò)多機(jī)械臂姿態(tài)同步的問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的控制方法取得了良好的控制效果。此外，進(jìn)一步對(duì)比了采樣信息交換與連續(xù)信息交換機(jī)制在實(shí)現(xiàn)一致過(guò)程中的通信能量消耗與時(shí)間消耗。
　　由于時(shí)滯的影響會(huì)降低多Euler-Lagrange系統(tǒng)的一致性能甚至破壞一致性，討論了信息交換過(guò)程中存在的傳輸時(shí)滯問(wèn)題。研究了有

7、向通信拓?fù)湎戮哂袉蜗驎r(shí)變傳輸時(shí)滯的分布式一致性協(xié)議并且給出了時(shí)滯依賴(lài)的充分性條件以確保多Euler-Lagrange系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致性。值得注意的是，所建立的條件不對(duì)傳輸時(shí)滯的導(dǎo)數(shù)做限制，因此得到的結(jié)果更加貼近工程實(shí)用。在所得到結(jié)果的基礎(chǔ)上，將所設(shè)計(jì)的一致性協(xié)議拓展至切換通信拓?fù)涞那闆r。仿真例子證明了所設(shè)計(jì)的控制方案在切換通信拓?fù)湎碌挠行耘c良好的可擴(kuò)展性。
　　深入研究了信息交換過(guò)程中帶有一定概率發(fā)生的傳輸時(shí)滯，給出了更加符合實(shí)際的